1000MW空冷機組主蒸汽管道焊后熱處理工藝

韓道永

(寧夏電力建設工程公司，銀川市 750001)

0 引言

寧夏靈武電廠二期工程2×1000MW超超臨界空冷機組主蒸汽管道采用P92鋼，規格為φ563.2 mm×96.8 mm。在P91鋼成分的基礎上，用1.5% ～2%W代替了部分的Mo、添加適量的B，得到一種改進型的P92鋼，P92鋼已被列入ASME規范及GB 5310—2008《高壓鍋爐用無縫鋼管》［1］標準。P92鋼供貨狀態為正火溫度1040～1080℃，回火溫度750～780℃，微觀金相組織為回火馬氏體。由于P92鋼中W、Mo固溶強化和V、Nb、B碳氮化物沉淀強化的作用，該鋼較包括P91、F12在內的9% ～12%Cr鋼，表現出更高的抗蠕變斷裂強度性能，其在600℃時的蠕變強度提高了近30%。

P92鋼焊接及熱處理工藝復雜，尤其焊后熱處理溫度范圍窄，內壁溫度不易達到規范要求。國內多家電力科研、建設單位的工藝評定試驗表明，當P92管道恒溫過程中內壁溫度小于740℃時，焊縫根部沖擊功已低于41 J，且焊縫組織也不是清晰的板條馬氏體組織，不能滿足標準要求。但焊接工藝評定采用的管道直徑、厚度與現場主蒸汽管道的規格差距很大，厚度差達50～60 mm。隨著管道壁厚的增加，管道對缺陷的敏感系數增大，缺陷允許尺寸的控制更加嚴格，焊接工藝控制亦更加嚴格，P92鋼隨著厚度的增加焊后熱處理難度不斷增大［2］。

國內某單位采用與主蒸汽管道同規格的P92鋼進行熱處理工藝研究［3］，但現場主蒸汽管道焊縫熱處理工藝研究未見報道。2010年10月，筆者采用與主蒸汽管道同規格、長度為7.100 m的P92鋼管，模擬施工現場環境進行熱處理工藝試驗研究［4］。試驗采用柔性陶瓷履帶式加熱器進行P92鋼厚壁管道熱處理，使管道內壁溫度達到740℃，取得了較好的試驗效果。現以寧夏靈武電廠二期工程4號機組8.5 m標高夾層一焊口焊后熱處理為例，闡述P92鋼主蒸汽管道的焊后熱處理工藝。

1 焊接工藝

現場基本條件為:主廠房封閉，環境溫度為7～10℃。施工時間為2010年12月1—3日。主蒸汽管道焊口一側從煤倉間水平段至8.5 m夾層已全部連通，焊口另一側管道長度為8 m，管道的加熱、傳熱環境非常復雜。

焊接采用手工鎢極氬弧焊(gas tungsten arc welding，GTAW)和手工電弧焊(manual electric arc welding，SMAW)方法，焊接材料選用 MTS616焊條，直徑為2.5、3.2 mm。采用U型坡口，手工鎢極氬弧焊共2層、手工電弧焊36層，其中采用φ2.5 mm焊條2層、5道，采用 φ3.2 mm焊條34層、162道。氬弧焊的焊層厚度控制在2.4～2.8 mm，手工電弧焊的焊層厚度控制在2.8～3.0 mm。具體的焊接參數如表1所示。

表1 焊接參數表Tab.1 Welding parameters

焊前預熱采用電加熱，熱電偶控溫，輔以紅外測溫儀測溫，以坡口底部溫度為準。氬弧焊預熱溫度為100～200℃，電弧焊層間溫度為200～250℃［5］。預熱加熱寬度以焊縫中心線為加熱中心，每側為300 mm。

2 熱處理工藝的確定

依據主蒸汽管道的規格，采用柔性陶瓷電阻加熱方式進行焊縫焊后熱處理，加熱器布置在外管壁，分為主加熱器和輔助加熱器。主加熱器與輔助加熱器同時加熱、同時控溫，儲能式熱電偶測溫。其中主加熱器規格為440 mm ×520 mm，數量為4片，每片功率10 kW;輔助加熱器規格為800 mm×260 mm，數量為4片，每片功率10 kW，加熱功率總計80 kW。輔助加熱器2片1組，共2組，分別對稱布設在主加熱器兩側。以焊縫的幾何中心位置確定為焊后熱處理加熱中心，在以焊縫幾何中心向管道兩端各1 m部位采用硅酸鋁棉密實封堵［6-7］。

2.1 熱電偶的選擇和布置

采用K型點焊式熱電偶［8-9］。管道外壁設置4只熱電偶控溫，內壁設置4只熱電偶測溫，輔助加熱器設置2只控溫熱電偶控溫，共設置10只熱電偶。管道外壁:主加熱器每片下焊縫邊緣布設1個熱電偶控溫并起測溫作用，在焊縫周向外壁12、9、3、6點位置分別布置1只熱電偶，熱電偶編號為R1、R2、R3、R4。輔助加熱器每側布設1只熱電偶作為輔助控溫使用，輔助加熱器控溫熱電偶布置在距加熱中心290 mm處，熱電偶分別編號為R9、R10。管道內壁:在管道內壁焊縫邊緣沿周向12、6、9、3點位置分別布設1只測溫熱電偶。熱電偶分別編號為 R5、R6、R7、R8。

2.2 熱處理工藝參數

主加熱器設定溫度為760+10℃，輔助加熱器設定為750℃。升溫速度為64℃/h，降溫速度為80℃/h，300℃以下空冷。恒溫時間為11 h。熱處理過程如圖1所示。

圖1 焊接熱處理曲線示意Fig.1 Curves of welding heat treatment

2.3 熱處理設備及補償導線

熱處理設備選用DWK-E-360 kW電腦溫控儀，選用與熱電偶相匹配的帶屏蔽層的精密級補償導線——K型補償導線(鎳鉻—鎳硅)。

2.4 加熱寬度選擇

柔性陶瓷電阻加熱器寬度的選擇應符合以下關系:

式中:LHB為加熱區加熱器布置寬度;LSB為均溫區寬度;r為管道內徑;d為管道的名義壁厚。

經測算，LSB=151 mm，LHB=909 mm。考慮管道加熱時溫度梯度影響，選定LHB=1100 mm。

2.5 保溫寬度確定

采用上述加熱器寬度的最小保溫寬度的選擇應符合以下關系:

式中LGCB為保溫寬度。

經測算，LGCB=1667 mm，綜合考慮管道軸向溫度梯度及減小熱量損失，選定LGCB=1840 mm，單層保溫厚度50 mm，2層合計100 mm。

3 熱處理實施過程

(1)焊接完畢，進行焊縫外觀質量檢查合格，管道溫度降至室溫。

(2)內外壁點焊熱電偶、綁扎加熱器，覆蓋保溫棉，將管道封堵完畢。

(3)主加熱器與輔助加熱器同時開始對管道進行加熱。

(4)管道外壁溫度達到設定值，開始恒溫。記錄外壁、內壁溫度。

(5)恒溫結束，開始降溫。

(6)管道降至室溫，進行內、外壁硬度測試、外壁微觀金相檢測。

4 數據分析

管道熱處理恒溫段數據如圖2所示。由圖2可知:(1)從管道焊縫整個熱處理過程分析，升溫階段內壁溫度隨外壁溫度均勻上升，并保持一個不斷放大的溫度差，在恒溫開始0.3 h，內壁4個測溫點溫度均達到740℃;(2)恒溫2 h時，調降輔助加熱器設定溫度至745℃，恒溫4 h時，調降輔助加熱器設定溫度至740℃，恒溫9 h時，調降輔助加熱器設定溫度至735℃，內壁溫度值變化不明顯;(3)內壁溫度最高達到755℃，內外壁最小溫差為15℃，最大溫度差為29℃，可以滿足P92鋼焊后熱處理要求;(4)管道內壁熱量的傳遞主要以熱傳導方式來進行，傳播速度未因材質和金含量高、壁厚的增大而顯著降低。

圖2 恒溫階段焊縫內外壁溫度Fig.2 Brinell hardness of inner and outer wall of weld seam

焊縫內外壁硬度值見表2，由表2可知:外壁硬度值分布范圍均勻，數值無突變;內9、內6點這2個位置硬度值均小于250 HB。

表2 焊縫內外壁布氏硬度值Tab.2 Weld internal and external Brinell hardness value HB

焊縫微觀金相組織如圖3所示，由圖3可知，焊接接頭經焊后高溫回火處理，金相組織均為回火馬氏體，碳化物成粒狀或球狀分布。

圖3 母材與焊縫金相組織Fig.3 Microstructure of base metal and weld seam

5 結語

(1)采用柔性陶瓷履帶式加熱器進行P92鋼厚壁管道焊縫的焊后熱處理，可以使焊縫內壁溫度達到750℃及以上，最高溫度達到755℃，內外壁溫度差可控制在15℃以內，達到了P92鋼焊后熱處理內壁最低溫度要求。

(2)在管道恒溫2 h時，逐步調整輔助加熱設定溫度至最低735℃，對內壁溫度值影響較小，可以忽略不計。

(3)在保證內壁溫度符合要求的前提下，可以適當縮短恒溫階段時間，以減小能源的消耗。

(4)在距焊縫中心一定距離采用硅酸鋁棉密實封堵，封堵效果對管道熱傳播方式、熱量散失影響較大，應作為今后研究需要重視的主要方向。

［1］GB 5310—2008高壓鍋爐用無縫鋼管［S］.北京:中國標準出版社，2008.

［2］周燁斌，王洪暉.大口徑厚壁P92鋼管道焊接及熱處理工程應用及討論［C］//超(超)臨界鍋爐用鋼及焊接技術協作網第三次論壇大會論文集.天津:［出版者不詳］，2009:403-412.

［3］嚴正，肖德銘，史文淵，等.超超臨界機組P92鋼大口徑厚壁管道等效現場工況的焊后熱處理工藝優化研究［C］//超(超)臨界鍋爐用鋼及焊接技術協作網第四次論壇大會論文集.南京:［出版者不詳］，2011:305-320.

［4］韓道永，張曉東.超超臨界百萬千瓦機組主蒸汽管道用鋼(SA335-P92)加熱試驗分析［C］//超(超)臨界鍋爐用鋼及焊接技術協作網第四次論壇大會論文集.南京:［出版者不詳］，2011:383-387.

［5］楊建平，郭軍，喬亞霞.超超臨界機組用P92鋼焊接技術的研究［J］.中國電機工程學報，2007，27(23):55-60.

［6］DL/T 819—2010火力發電廠焊接熱處理技術規程［S］.北京:中國電力出版社，2010.

［7］楊富，章應霖，任永寧，等.新型耐熱鋼焊接［M］.北京:中國電力出版社，2006:103-105.

［8］韓道永，呂鐵，張曉東，等.百萬千瓦空冷燃煤機組P92鋼超大壁厚管道焊后熱處理［C］//超(超)臨界機組技術交流2011年會論文集.汕頭:［出版者不詳］，2011:183-187.

［9］高潔安，嚴正，董艷柱，等.SA335-P92鋼管采用感應加熱焊接熱處理工藝試驗［J］.電力建設，2010，31(10):109-113.